面向移動健康設備的智能島技術研究

徐為則 葛艷紅 李文鋒 張天平

(武漢理工大學物流工程學院 湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著可穿戴設備、云計算與物聯網技術的發展，遠程醫療逐漸出現在人們的視野中，無論用戶處于何時何地，無線體域網BAN(Body Area Network)都能實時監測用戶的生理狀況[1]。由于人有相當長的時間是在活動狀態下生活和工作，人們對移動健康的關注和研究逐漸增多[2-3]。然而，單一類型生理參數無法滿足人體健康評估的需求。針對此問題，文獻[4]設計了多參數健康系統，對多種生理參數的有效性進行驗證，并通過數據融合技術對健康評估；文獻[5]采用智能手機作為移動網關，能夠自動收集人體的生理信息與人體姿態。當人體異常時，數據上傳至云端報警；文獻[6]通過安裝Android系統驅動、生理參數驅動與監護應用軟件，設計了一款遠程多生理參數監護系統。

由于采集人體健康數據的每個節點的能量、計算能力與存儲能力是有限的[7-8],對多類型數據持續與雜亂的傳輸，容易導致系統數據冗余，設備能耗損失增大。隨著移動通信的發展，借助智能手機擁有多樣式的無線通信技術和較強大的計算能力[9-12]，搭建了一種能夠智能管理移動健康設備，減少數據上傳至云端的智能島。該智能島通過自動調整設備優先級獲取設備權重，并結合加權輪詢算法對移動健康設備進行管理與采集數據。當遇到異常情況時,可在第一時間感知并將結果上傳至云端報警。

1 智能島架構設計

針對移動健康設備的統一管理與數據采集的需求，在智能手機上采用MVP模式搭建了一種智能島。采用MVP模式將數據與界面完全分離，降低層次之間的耦合，同時業務邏輯完全交給Presenter(數據處理層)層處理，具有可移植性的優點。如圖1所示，智能島架構共分為三層。

圖1 智能島總體架構

第一層是數據層，包括藍牙技術與數據庫技術。該層的主要作用是從數據源(通過藍牙技術與移動健康設備組網交互，HTTP技術與云端交互)中獲取數據。其中：藍牙技術與移動健康設備動態組網采集數據；數據庫技術實現對歷史數據的增、刪、改、查的功能。第二層是數據處理層(業務邏輯層)，負責對數據層數據進行業務邏輯處理，如查詢數據庫數據，實現異常報警、智能管理設備。第三層是應用層，為用戶提供可視化界面，實現對移動健康設備的手動控制，包括調整設備采集數據的頻率、數據庫的升級與設備狀態的控制。同時該層還可以查看用戶當前設備狀況和健康狀況等。智能島主要完成以下兩項功能：

(1) 健康異常監測 對用戶而言，身體健康異常狀況報警十分重要。智能島通過分析移動健康設備采集的多生理數據，實現對人體健康狀態判斷。身體健康狀態分為三種：健康、質疑(如用戶久坐超過一定時間等)與危險(多種類型生理參數均異常或人體久坐并血壓異常等)。當質疑或危險發生時，自動向監護人報警，提高報警響應速度；若健康，則采取定期發送數據至云端的方式，達到減少數據上傳的目的。

(2) 智能組網 在體域網中，設備節點數據發送、接收與空閑時間對信道的監聽消耗大部分能量[13-14]。因此，在保障健康監測的情況下，應當盡量減少節點數據傳輸。通過智能組網的方式，可解決此問題。

2 智能島智能組網技術研究

在體域網中，由于異構可穿戴設備的空間位置、傳輸速度與頻率的不同，采集的數據往往是雜亂無序的，容易導致數據碰撞與丟失等問題出現。然而傳統的藍牙微微網中，調度算法RR采用輪詢不同的從節點，將全部帶寬平均分布給每個從設備，存在不考慮設備對帶寬資源的需求以及用戶狀況需求的問題。因此，本文采取提取用戶生理特征方式，進行設備優先級分配，并設計加權輪詢算法對設備動態組網。

2.1 設備優先級

(1)

(2)

(3)

該智能島權重是變化的，采用滑動時間窗形式，根據權重判斷規則，定期更新設備優先級。通過優先級，分配設備的權重，默認按數值等級來分配權重，如1，2，…，N。

2.2 動態組網

假設在智能島區域D內，健康設備能夠被連接，且用戶所有設備MAC地址已保存在智能島。輪詢算法流程如圖2所示。

圖2 獲取輪詢設備算法

具體算法步驟如下：

(1) 智能島首先找到區域內屬于用戶的設備，確保設備在活動狀態。未搜索到設備默認關閉且權重設為0，時間閾值Tmax獲得的藍牙網集如下：

Φ(t+Tmax)={X|X1,X2,…,Xn}

(4)

式中：Xi表示一個空間集合的位置。

(2) 進行數據初始化。其中，cWij表示該設備當前權重值，下標i、j分別表示設備與輪詢的次數；eWi表示設備影響權重(即通過優先級獲取的權重)；sum0表示影響權重之和,初始值為0；cWtmax表示已遍歷的健康設備中當前權重最大的值(以下簡稱最大權重值)，下標t的范圍為0≤t≤n-1；i表示設備號，初始值為0；n表示設備數量。

(3) 更新該設備當前權重與影響權重之和。將設備當前權重值更新為設備影響權重與上一次該設備當前權重之和，并更新影響權重之和sumi，公式如下：

cWij=cWij-1+eWisumi+=eWi

(5)

式中：cWij表示該設備在上一次輪詢中當前權重值。

(4) 選取當前權重最大的設備，作為輪詢設備。首先判斷是否是第一個設備，如果是第一個設備，此時更新最大權重值cWtmax及下標t,公式如下：

cWtmax=cWit=i

(6)

如果不是，則將該設備的當前權重與最大權重值進行對比。如果小于，且判斷此時是最后一個設備，則選取cWtmax中下標為t的設備，作為輪詢設備；如果小于，且判斷此時不是最后一個設備，則繼續比較下一個設備。如果大于，此時更新最大權重值cWtmax及下標t，且判斷此時不是最后一個設備，繼續比較下一個設備當前權重；如果大于且判斷此時是最后一個設備，則選取與cWtmax中下標為t的設備，作為此時輪詢的設備。為了能夠輪詢到其他設備，將該被輪詢設備的當前權重值cWt更新以及更新cWtmax=0，公式如下：

cWi=cWi=t-sumn-1

(7)

(5) 獲取到該cWtmax中t的值，表示第t種健康設備為輪詢設備。當判斷該設備與上一次輪詢設備相同時，并且上一次數據正常，則不進行數據采集，若上一次異常，則進行數據采集。

若在輪詢時發現數據超過閾值，則將輪詢停止，進行多設備數據采集，按照分類進行身體健康狀態診斷并報警。當用戶久坐時，彈出對話框的形式提醒用戶是否取消報警，如果超過時間閾值Tmax仍未取消，則進行報警，表示質疑等級報警；當血壓超過時，結合心率狀況，若此時心率也異常，則進行危險等級報警；若正常，但并未取消報警，則發送質疑報警，否則，不進行報警。

3 實驗測試與分析

圖3為動態組網連接健康設備采集數據的場景，將智能島安裝在智能手機上，采用Java語言編寫的智能島進行數據采集，使用多個時段進行重復穩態仿真[11]的方法測試效果。實驗測試采用10組實驗，三種組網方式進行對比，顯示動態組網的效果，以及用異常感知時間來證明感知的效果。第一種是設備傳輸，未有優先級，采集全部數據；第二種是設備輪詢傳輸，按順序采集數據；第三種是設備權重輪詢，依次將1到4種用戶健康設備進行連接與關閉。通過與其他場景能耗對比，說明此方法的優越性。圖4為智能島部分功能效果。其中：(a)表示心率值動態變化；(b)表示解除報警功能，用于避免誤報的行為;(c)表示設備狀況(包括設備名稱、開關、頻率、運行狀況)，并可手動進行設備管理。參與智能島效果測試人數10人，實驗表明，該智能島能夠滿足健康監測與管理設備的需求。

圖3 實驗仿真場景

(a) 心率動態顯示 (b) 解除報警 (c) 節點手動管理圖4 智能島部分界面

為了驗證動態輪詢的有效性，進行實驗仿真，在實驗中設置每次設備輪詢時長為60 s，并在輪詢總數為30次時，將壓力坐墊關閉，心率與血壓被輪詢的次數將增大。圖5中,縱坐標表示每個設備某段輪詢的次數，橫坐標表示在某段時間輪詢的總數。圖5中的數據與結果吻合，證明該算法的有效性。

圖5 動態輪詢算法仿真圖

(8)

圖6中，橫坐標表示測試的設備數，縱坐標表示消耗電量百分比，并與表1對應。在連接設備相同情況下，全部連接并采集數據將增大電量消耗；在輪詢時，均勻分配資源給每個設備，電量消耗趨于穩定趨勢；第三種權重分配消耗電量最少，由于權重的原因，設置不同的頻率進行數據采集，并且當前一次和此次采集設備相同時，在數據正常情況下，此次不進行采集，在一定程度上能夠節約能耗。

圖6 三種場景的電量消耗對比圖

表1 三種場景電量消耗對比 %

為了能夠測試異常第一時間感知，在測試時將心率與血壓閾值調小，以便測試異常感知狀況，參與實驗人數為10人，年齡25周歲左右。由表2可知，延時時間非常短,報警準確度達到100%。

表2 異常感知結果

4 結 語

針對移動健康設備的管理與健康監護的需求，研究了能夠管理移動健康設備，節約設備能耗的智能島。該智能島具有以下優點：

(1) 既可以與移動健康設備進行智能組網，又可以與云端交互，在人體異常時，能夠第一時間進行感知。

(2) 能夠根據用戶個人狀況自動調整設備優先級，進行藍牙4.0智能組網采集數據，完成設備管理與控制，節約能耗。

(3) 采用MVP架構，減少數據的耦合，提高代碼清晰度，提高智能島的穩定性、可移植性與可擴展性。智能島還可記錄用戶的日常生活習慣，為日后的深度學習研究提供基礎。